(57)【要約】  本発明のアーク溶接装置は、インダクタンス値が小さい１００μＨ以下のリアクトルを搭載し、アークスタート時の電流立ち上がりを大きくし、アークスタート性を向上した場合でも、制御部は、第１の立ち上がり時間と、第２の立ち上がり時間と、を用いて、第２の立ち上がり時間が第１の立ち上がり時間よりも長くなるように溶接電流を制御する。ここで、第1の立ち上がり時間は、アークスタート時に溶接電流がアークスタートを開始してからピーク電流の絶対値に達するまでの時間で、第２の立ち上がり時間は、アークスタート後の定常溶接時に溶接電流の極性が転流する際のゼロクロス時点からピーク電流の絶対値に達するまでの時間である。
2011114679.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピーク電流の絶対値が、３００Ａ以上、１５００Ａ以下である交流パルスを出力して溶接を行う非消耗電極式のアーク溶接装置であって、
溶接電流を出力する出力部と、
前記出力部に対して、制御する前記溶接電流の周期毎に溶接電流制御信号を出力する制御部と、
インダクタンス値が、１０μＨ以上、１００μＨ以下であるリアクトルと、を備え、
前記制御部は、アークスタート時において、前記溶接電流がアークスタートを開始してからピーク電流の絶対値に達するまでの第１の立ち上がり時間と、アークスタート後の定常溶接時に前記溶接電流の極性が転流する際のゼロクロス時点からピーク電流の絶対値に達するまでの第２の立ち上がり時間と、を用いて、前記第２の立ち上がり時間が前記第１の立ち上がり時間よりも長くなるように前記溶接電流を制御するアーク溶接装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記第２の立ち上がり時間中に増加する前記溶接電流を、前記溶接電流の絶対値が高くなるほど単位時間当たりの溶接電流値の増加が少なくなるように制御する請求項１記載のアーク溶接装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記第２の立ち上がり時間中に増加する前記溶接電流を、第１の電流値になるまでは前記単位時間当たりの溶接電流値の増加を変更せずに増加し、前記第１の電流値を超えた場合には、前記溶接電流の絶対値が高くなるほど前記単位時間当たりの溶接電流値の増加が少なくなるように制御する請求項２記載のアーク溶接装置。
【請求項４】
前記出力部は、単位時間あたりの溶接電流の増加量として１０００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下の溶接電流の出力が可能であり、前記第１の立ち上がり時間における単位時間あたりの溶接電流の増加量は１０００Ａ／ｍｓ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下であり、前記第２の立ち上がり時間における単位時間あたりの溶接電流の増加量は、１０Ａ／ｍｓｅｃ以上、５００Ａ／ｍｓｅｃ以下である請求項１記載のアーク溶接装置。
【請求項５】
前記出力部は、単位時間あたりの溶接電流の増加量として１０００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下の溶接電流の出力が可能であり、第１の立ち上がり時間における単位時間あたりの溶接電流の増加量は１０００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下であり、第２の立ち上がり時間中の前記第１の電流値になるまでにおける単位時間あたりの溶接電流の増加量は１０００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下であり、第２の立ち上がり時間中の前記第１の電流値を超えた場合における単位時間あたりの溶接電流の増加量は、１０Ａ／ｍｓｅｃ以上、５００Ａ／ｍｓｅｃ以下である請求項３記載のアーク溶接装置。
【請求項６】
前記制御部は、定常溶接時の溶接電流をピーク電流値から前記ピーク電流値よりも小さい第２の電流値まで減少して、この第２の電流値を所定時間維持した後に転流するように制御し、前記ピーク電流値から前記第２の電流値に低減するまでの第１の立ち下がり時間を、前記第２の立ち上がり時間よりも短くなるように制御する請求項１記載のアーク溶接装置。
【請求項７】
前記制御部は、定常溶接時に溶接電流をピーク溶接電流から溶接電流の極性が転流する際のゼロクロス時点に達するまでの第２の立ち下がり時間を、前記第２の立ち上がり時間よりも短くなるように制御する請求項１記載のアーク溶接装置。
【請求項８】
前記出力部は、単位時間あたりの溶接電流の減少量として８００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下の溶接電流の減少が可能であり、前記第１の立ち下がり時間における単位時間あたりの溶接電流の減少量、または、前記第２の立ち下がり時間における単位時間あたりの溶接電流の減少量は、８００Ａ／ｍｓ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下である請求項６または７のいずれか１項に記載のアーク溶接装置。
【請求項９】
同一の溶接電流値に対して異なる溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量を複数記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶した複数の溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量から１つの溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量を選択する選択部と、を備えた請求項１に記載のアーク溶接装置。
【請求項１０】
前記出力部はインバータ制御部を備え、前記インバータ制御部のインバータ周波数は、４０ｋＨｚ以上、１ＭＨｚ以下である請求項１記載のアーク溶接装置。
【請求項１１】
アークスタート時に非消耗電極と溶接対象物との間に定常溶接時の電圧よりも高い高電圧を印加するための高電圧発生部を備え、前記非消耗電極と前記溶接対象物との間に高電圧を印加してアークスタートを行う請求項１記載のアーク溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非消耗電極を用いて溶接を行うアーク溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境への配慮から、軽量かつリサイクル性に優れたアルミニウム材やマグネシウム材が建造物や車両等で多く利用されている。そして、その接合に、交流アーク溶接装置が多く利用されている。なお、交流アーク溶接装置は、逆極性と正極性とを交互に繰り返してアーク溶接を行うものである（例えば、特許文献１参照）。【０００３】
特に、大型建造物を生産する作業現場では、作業効率を上げるため、３００Ａ以上、５００Ａ以下の範囲の大電流による溶接作業が行われている。【０００４】
従来のこのような大電流を出力する交流アーク溶接装置（例えば、ＴＩＧ溶接装置）では、装置内部で主として動作する半導体の熱損失が大きくなる。そのため、オンロス（主トランジスタのオン抵抗と通電電流の積）を下げるためにはスイッチング速度が遅い半導体を採用する必要がある。その結果、スイッチング損失が大きくなるため、インバータ周波数を高くすることができなかった。故に、比較的低周波数（例えば、１０ｋＨｚ程度まで）のインバータ周波数で動作する回路構成とされている。これにより、低電流域（例えば、１０Ａ程度まで）でのアーク切れの防止のため、インダクタンス値が大きいリアクトルを搭載する必要があった。【０００５】
図４は従来のアーク溶接装置の概略構成を示す図であり、図５は従来のアーク溶接装置における溶接電流波形の時間変化を示す図である。図４と図５を用いて、従来から慣用されているアーク溶接装置の動作について説明する。以下、逆極性期間と正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う非消耗電極式の交流アーク溶接装置を例にして説明する。【０００６】
図４において、アーク溶接装置２２は、溶接電流を検出する電流検出部４と、高電圧発生部８と、溶接出力を行う出力部１９と、出力部１９を制御するための制御部２０と、出力部１９と溶接トーチ１０との間に設けられたリアクトル２１と、を備えている。ここで、高電圧発生部８は、溶接トーチ１０に備えられた電極９と溶接対象物としての母材１２との間に高電圧を印加する。また、アーク溶接装置２２には、電極９を備えた溶接トーチ１０と、溶接対象物としての母材１２が接続されており、電極９と母材１２との間にアーク１１を発生させて溶接を行う。【０００７】
溶接電流と高電圧発生信号の時間変化を示す図５において、ＩＰはピーク電流値を示しており、ＩＳはスタート電流値を示している。また、Ｅ１は溶接を開始する時点である溶接開始時点を示しており、Ｅ２は電流検出部４で電流を検出した時点である電流検出時点を示している。また、ＴＵＰ３は、従来のアークスタート時の立ち上がり時間を示しており、ＴＵＰ４は従来の定常溶接時の立ち上がり時間を示している。なお、Ｉ３は、正極性から逆極性に溶接電流の極性が転流する前の電流値を示している。【０００８】
図４において、配電盤等の外部機器から給電される商用電源入力（例えば、２００Ｖ等を使用）は、アーク溶接装置２２の出力部１９に給電される。出力部１９は、制御部２０が出力する溶接制御信号に基づき、インバータ周波数１０ｋＨｚ程度で駆動されるインバータ制御により、溶接に適した溶接電流や溶接電圧を出力する。出力部１９が出力する溶接電流や溶接電圧は、リアクトル２１を介して平滑化され、溶接トーチ１０と母材１２に給電され、電極９の先端と母材１２との間でアーク１１が発生し、交流アーク溶接が行われる。【０００９】
なお、インバータ周波数が１０ｋＨｚ程度の場合に、低電流（例えば、１０Ａ程度）でアーク切れしないためには、リアクトル２１のインダクタンス値は、２００μＨ以上が必要である。なお、このインダクタンス値は、例えば、実験や計算等に基づいて決定される。【００１０】
ここで、制御部２０は、アークスタート開始時に、高電圧発生信号を高電圧発生部８へ出力して高電圧発生信号をオンする。その後、制御部２０は、電流検出部４が出力する電流検出信号を入力とし、電流検出部４が電流を検出して電流検出部４から電流を検出した旨の信号を受信すると、高電圧発生信号をオフする。【００１１】
高電圧発生部８は、定常溶接時の電圧よりも高い電圧（例えば、１５ｋＶ）を発生するものであり、アークスタート時に高電圧発生信号がオンの間は電極９と母材１２との間に高電圧を印加し、高電圧発生信号がオフの間は高電圧の印加を停止する。【００１２】
次に、図５を用いて、従来のアーク溶接装置における溶接電流波形の時間変化について説明する。【００１３】
溶接を開始する溶接開始時点Ｅ１において、制御部２０は、出力部１９の駆動をオンし、出力部１９により無負荷電圧を電極９と母材１２との間に印加する。さらに、制御部２０は、高電圧発生信号をオンにし、高電圧発生部８によりアークスタートのための高電圧を印加する。その後、アークが発生し、電流検出４が電流を検出した電流検出時点Ｅ２において、制御部２０は高電圧発生信号をオフにして高電圧の印加を停止する。【００１４】
アークスタートにおいて、アークスタート時の立ち上がり時間ＴＵＰ３の間は、溶接電流は５００Ａ／ｍｓｅｃで立ち上がり、スタート電流値ＩＳ（例えば、３５０Ａ）まで到達する。【００１５】
また、定常溶接期間において、溶接電流の極性が転流する際のゼロクロス時点からの立ち上がり時間ＴＵＰ４の間は、溶接電流は５００Ａ／ｍｓｅｃで立ち上がり、ピーク電流の絶対値ＩＰ（例えば、３５０Ａ）に達する。【００１６】
以上のように、アークスタート時の溶接電流の立ち上がり、及び、定常溶接期間中の溶接電流の立ち上がりは、リアクトル２１のインダクタンス値によって決定される。ここで、立ち上がりとは、ピーク電流に達するまでの単位時間当たりの溶接電流の増加量を意味している。【００１７】
そして、交流溶接の電流指令はパルス状であることが一般的であり、実際の電流波形がパルス状となるように、立ち上がりは大きい方が良いと考えることが一般的である。【００１８】
従来のアーク溶接装置２２に、インダクタンス値が大きいリアクトル（例えば、２００μＨ以上）を搭載した場合、溶接電流のリップルが抑えられ、低電流（例えば、１０Ａ程度）でのアーク切れ防止に効果がある。しかしその半面、溶接電流の立ち上がりが遅くなる、すなわち、傾きが小さく緩やかになり、アークスタート性が悪くなるといった問題がある。なお、電流指令として矩形状の指令を与えたとしても、リアクトルのインダクタンスにより、実施の溶接電流は指令した電流波形よりも立ち上がりが遅くなる。そして、インダクタンス値が大きいほど、その傾向は強くなる。【００１９】
近年、新インバータ方式の登場により、５００Ａクラスの大電流用の非消耗電極式のアーク溶接装置（例えば、ＴＩＧ溶接装置等）において、インバータ周波数を高くする（例えば、４０ｋＨｚ程度まで）ことが可能である。【００２０】
４０ｋＨｚのインバータ周波数により駆動されるＴＩＧ溶接装置では、電流リップルが小さく、低電流（例えば、１０Ａ程度）でアーク切れが生じ難い。そのため、インダクタンス値が小さいリアクトル（例えば、１００μＨ以下）の搭載が可能である。【００２１】
例えば、５０μＨのインダクタンス値をもつリアクトルを搭載した場合、電流の立ち上がりが大きくなり（例えば、１５００Ａ／ｍｓｅｃ以上）、アークスタート性が飛躍的に向上する。【００２２】
しかしながら、電流の立ち上がりが大きい（１５００Ａ／ｍｓｅｃ以上）ＴＩＧ溶接装置では、定常溶接時の電流の立ち上がりも大きい（１５００Ａ／ｍｓｅｃ以上）。これにより、大電流（例えば、３００Ａ以上）による施工時に、フィラーワイヤを挿入する作業において、フィラーワイヤをスムーズに溶融することができず、作業性が悪くなるといった問題があることがわかった。【００２３】
すなわち、インダクタンス値が小さいリアクトルを用いると、アークスタート性は向上するが、定常溶接中の作業性が悪くなってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２４】
【特許文献１】特開平２−２３５５７４号公報
【発明の概要】
【００２５】
本発明は、アークスタート性能が良好で、かつ、大電流溶接時のフィラーワイヤの作業性が良好であるアーク溶接装置を提供する。
【００２６】
本発明のアーク溶接装置は、ピーク電流の絶対値が、３００Ａ以上、１５００Ａ以下である交流パルスを出力して溶接を行う非消耗電極式のアーク溶接装置であって、溶接電流を出力する出力部と、上記出力部に対して制御する上記溶接電流の周期毎に溶接電流制御信号を出力する制御部と、インダクタンス値が、１０μＨ以上、１００μＨ以下であるリアクトルと、を備え、上記制御部は、アークスタート時において、上記溶接電流がアークスタートを開始してからピーク電流の絶対値に達するまでの第１の立ち上がり時間と、アークスタート後の定常溶接時に上記溶接電流の極性が転流する際のゼロクロス時点からピーク電流の絶対値に達するまでの第２の立ち上がり時間と、を用いて、上記第２の立ち上がり時間が上記第１の立ち上がり時間よりも長くなるように上記溶接電流を制御する構成からなる。
【００２７】
この構成により、大電流施工時にアークスタート性が向上し、フィラーワイヤを挿入する作業で作業性が悪くならず、フィラーワイヤをスムーズに溶融する良好な作業性を可能とするアーク溶接装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１におけるアーク溶接装置の概略構成を示す図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１における溶接電流波形の時間変化を示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１における溶接電流値と溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量の相関を示す図である。
【図４】図４は、従来のアーク溶接装置の概略構成を示す図である。
【図５】図５は、従来のアーク溶接装置における溶接電流波形の時間変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同じ構成要素については同じ符号を付しているので説明を省略する場合がある。
【００３０】
（実施の形態１）
図１は本実施の形態におけるアーク溶接装置の概略構成を示す図であり、図２は本実施の形態における溶接電流波形の時間変化を示す図である。図３は本実施の形態における溶接電流値と溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量の相関を示す図である。図１のように構成されたアーク溶接装置について、図２と図３を用いてその動作を説明する。
【００３１】
以下、逆極性期間と正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う非消耗電極式の交流アーク溶接装置を例として説明する。
【００３２】
図１において、アーク溶接装置１は、溶接出力を行う出力部２と、制御部３と、溶接電流を検出する電流検出部４と、出力部２の出力を平滑するリアクトル５と、記憶部６と、記憶部６の記憶内容を選択する選択部７と、高電圧を出力する高電圧発生部８を備えている。ここで、制御部３は、制御周期毎に出力部２に制御信号を出力して出力部２を制御する。記憶部６は、溶接電流値に対する溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量等を記憶する。
【００３３】
なお、出力部２は、整流部１４と、平滑部１５と、インバータ制御部１３と、変圧器１６と、２次整流部１７と、２次インバータ制御部１８を備えている。ここで、平滑部１５は、整流部１４の出力を平滑する。インバータ制御部１３は、平滑部１５の出力をインバータ制御する。変圧器１６は、インバータ制御部１３の出力を変圧する。２次整流部１７は、変圧器１６の出力を平滑する。２次インバータ制御部１８は、２次整流部１７の出力をインバータ制御する。
【００３４】
また、アーク溶接装置１は、電極９を備えた溶接トーチ１０と、溶接対象物としての母材１２にケーブル１０ａ、１２ａ等を介して接続されている。そして、アーク溶接装置１は、電極９と母材１２との間に電力を供給することにより、電極９と母材１２との間にアーク１１を発生させて溶接を行う。
【００３５】
溶接電流等の時間変化を示す図２において、ＩＰは溶接電流のピーク電流値を示しており、ＩＳは溶接電流のスタート電流値を示している。Ｉ１は立ち上がり中の電流値であり、ピーク電流ＩＰよりも小さい第１の電流値を示しており、Ｉ２は立ち下がり中の電流値でありピーク電流ＩＰよりも小さい第２の電流値を示している。
【００３６】
また、ＴＵＰ１は溶接電流がゼロの状態からスタート電流ＩＳに達するまでの時間である第１の立ち上り時間を示しており、ＴＵＰ２は溶接電流が転流してゼロとなった時点からピーク電流ＩＰに達するまでの時間である第２の立ち上り時間を示している。ＴＤＮ１はピーク電流ＩＰから第２の電流値Ｉ２に低下するまでの時間である第１の立ち下がり時間を示しており、ＴＨは第２の電流値Ｉ２を維持する期間である所定時間を示している。ＴＤＮ２は第１の立ち下がり時間ＴＤＮ１と所定時間ＴＨを合わせた時間である第２の立ち下がり時間を示している。
【００３７】
また、ＤＩ１は第１の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流値の増加量を示しており、ＤＩ２は第１の溶接電流とは異なる第２の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流値の増加量を示している。
【００３８】
また、Ｅ１は溶接を開始する時点である溶接開始時点を示しており、Ｅ２は電流検出した時点である電流検出時点を示しており、Ｅ３はアークスタート期間が完了した時点であるアークスタート完了時点を示している。
【００３９】
図１において、配電盤等の外部機器から給電される商用電源入力（例えば、２００Ｖ）は、アーク溶接装置１の出力部２に給電される。そして、ダイオード等で構成される整流部１４と電解コンデンサ等で構成される平滑部１５とにより直流電圧に変換される。そして、ＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）等で構成される電流検出部４は、溶接電流を検出する。また、ＣＰＵやＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）およびＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ  ｔｏ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）等で構成される制御部３は、電流検出部４の出力が入力される。そして、制御部３は、インバータの制御タイミング（例えば、インバータのスイッチング動作タイミング）に同期して溶接に適した出力指令を作成し、出力目標に基づき電流フィードバック演算を行い、インバータ制御部１３のスイッチング素子の導通幅を算出して溶接電流制御信号を出力する。
【００４０】
そして、制御部３が出力する溶接電流制御信号に基づき、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）動作やフェーズシフト動作にて駆動されるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等で構成されるインバータ制御部１３は、インバータ駆動し、整流部１４と平滑部１５が変換した直流電圧を、変圧器１６を介して溶接に適した高周波の交流電圧に変換する。
【００４１】
なお、変圧器１６が出力する無負荷電圧は８０Ｖである。また、変圧器１６は、インバータ周波数として４０ｋＨｚで動作する。なお、インバータはＩＧＢＴとトランスを含んで構成され、トランス電流の周波数である４０ｋＨｚで動作する。
【００４２】
そして、変圧器１６が出力する高周波の交流電圧は、ダイオード等で構成される２次整流部１７により整流され、２次インバータ制御部１８に入力される。２次インバータ制御部１８は、ＩＧＢＴ等を用いてフルブリッジやハーフブリッジ等の回路で構成され、正極性と逆極性との出力極性を切り替える。
【００４３】
ここで、正極性とは、アークプラズマ中の電子の移動方向が、電極９から母材１２へ向かう方向であり、電極９がマイナスであって母材がプラスの場合をいう。また、逆極性とは、アークプラズマ中の電子の移動方向が、母材１２から電極９へ向かう方向であり、電極９がプラスであって母材１２がマイナスの場合をいう。
【００４４】
２次インバータ制御部１８が出力する溶接電流や溶接電圧は、リアクトル５を介して平滑化され、溶接トーチ１０に給電される。そうすると、非消耗電極であるタングステン等で構成される電極９の先端とアルミニウム材等である溶接対象物である母材１２との間にアーク１１が発生し、交流アーク溶接が行われる。
【００４５】
なお、リアクトル５のインダクタンス値は、１００μＨ以下、例えば５０μＨであり、図４を用いて説明した従来のアーク溶接装置２２に設けられたリアクトル２１よりもインダクタンス値が小さいものを用いている。これにより、溶接電流の単位時間あたりの溶接電流値の増加量を１５００Ａ／ｍｓｅｃとすることができる。
【００４６】
また、ＣＰＵ等で構成される記憶部６は、同一の溶接電流値に対して異なる溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量として、図３に示す第１の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量と、第２の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量とを記憶している。なお、溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量は、２つではなく、３つ以上記憶するようにしても良い。
【００４７】
また、ＣＰＵ等で構成される選択部７は、記憶部６に記憶した複数の溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量から１つの溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量を選択し、制御部３へ入力する。なお、この選択部７の切り替えは、溶接電流設定や周波数設定や溶接法設定に応じて、自動で切り替えを行うようにしても良い。または、アーク溶接装置１を操作する作業者の好みにより手動で切り替えるようにしてもよい。
【００４８】
制御部３は、選択部７が選択して出力する、溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量に基づいて出力部に制御信号を出力することにより出力制御を行う。また、制御部３は、高電圧発生信号を高電圧発生部８へ出力することもでき、溶接トーチ１０に設けられた図示しないトーチスイッチを押すこと等によるアークスタート開始時に、高電圧発生信号をオンにして高電圧発生部８に出力する。そして、高電圧発生部８が出力する高電圧により電極９と母材１２との間にアークが発生して電流が流れ、この電流を検出した電流検出部４から電流検出信号を受けると、高電圧発生信号をオフとし、高電圧発生部８の出力を停止させる。
【００４９】
フライバックトランス等で構成される高電圧発生部８は、制御部３から出力される高電圧発生信号がオンの間は、定常溶接時の電圧よりも高い電圧（例えば１５ｋＶ）を電極９と母材１２と間に印加する。一方、制御部３から出力される高電圧発生信号がオフの間は、高電圧の印加を停止する。
【００５０】
次に、図２を用いて、アークスタート期間の溶接開始から、アークスタート期間の後の定常溶接期間における定常溶接時の交流溶接電流パルスの立ち上がりまでの溶接電流波形の時間変化について説明する。
【００５１】
溶接を開始する溶接開始時点Ｅ１において、制御部３はインバータ制御部１３の駆動をオンし、無負荷電圧（例えば、８０Ｖ）を電極９と母材１２との間に印加する。さらに、制御部３は、高電圧発生信号をオンにして高電圧発生部８に出力することにより、アークスタートのための高電圧（例えば、１５ｋＶ）を電極９と母材１２との間に印加する。そして、この高電圧によりアークが発生して溶接電流が流れ、電流検出部４が電流を検出した時点である電流検出時点Ｅ２において、制御部３は、高電圧発生信号をオフにして高電圧発生部８へ出力することにより、高電圧の印加を停止する。
【００５２】
なお、アークスタート時、第１の立ち上がり時間ＴＵＰ１（例えば、０．２３ｍｓｅｃ）の間は、溶接電流は、単位時間あたりの溶接電流の増加量が１５００Ａ／ｍｓｅｃにて立ち上がり、スタート電流値ＩＳ（例えば、３５０Ａ）に到達する。
【００５３】
その後、アークスタート期間が完了した時点であるアークスタート期間完了時点Ｅ３において、アークスタート期間から定常溶接期間に移行する。なお、アークスタート期間の完了は、アークスタートから予め設定される時間（例えば、１００ｍｓｅｃ）が経過した時点としてもよい。また、アークスタート期間の完了は、交流パルスの出力回数を計測し、所定回数パルス出力した場合、例えば５パルスの交流出力を行った時点としてもよい。
【００５４】
また、定常溶接期間中は、正極性と逆極性とが変わる転流が行われ、溶接電流は、溶接電流の極性が転流する際のゼロクロス時点から第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２（例えば０．８５ｍｓｅｃ）が経過してピーク電流ＩＰ（例えば、３５０Ａ）に達する。
【００５５】
なお、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２の期間中、溶接電流は、第１の電流値Ｉ１（例えば、５０Ａ）に達するまでは、単位時間あたりの溶接電流の増加量を５００Ａ／ｍｓとして立ち上がる。そして、第１の電流値Ｉ１（例えば、５０Ａ）を超えてからは、５００Ａ／ｍｓｅｃより小さく、かつ、溶接電流の絶対値が高くなるほど単位時間当たりの溶接電流値の増加量が少なくなるように立ち上がる。例えば、溶接電流の絶対値は、図３に実線で示す第１の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量に基づく。
【００５６】
以上のように、インダクタンス値が小さいリアクトル５を接続した状態で、アークスタート時は、リアクトル５のインダクタンス値に依存した溶接電流の立ち上がりにより溶接電流を急峻に立ち上げてアークスタート性能を確保する。それと共に、定常溶接中は、リアクトル５のインダクタンス値に依存せず溶接電流の立ち上がりをアークスタート時に比べて緩やかになるように溶接電流指令を与えて制御することで、フィラーワイヤの作業性を良好にすることができる。
【００５７】
なお、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２中、第１の電流値Ｉ１（例えば、５０Ａ）に達するまでは、単位時間あたりの溶接電流の増加量が、５００Ａ／ｍｓｅｃではなく１５００Ａ／ｍｓｅｃで立ち上がる。第１の電流値Ｉ１（例えば、５０Ａ）を超えてからは、溶接電流の絶対値が高くなるほど単位時間当たりの溶接電流値の増加が少なくなるように制御してもよい。
【００５８】
ここで、１５００Ａ／ｍｓｅｃは、リアクトル５のインダクタンス値により決定されるアーク溶接装置１が出力可能な最大の単位時間当たりの変化量であるとする。このように、電流の増加の初期期間では、最大の単位時間当たりの変化量で溶接電流を増加するようにしても良い。
【００５９】
すなわち、本発明のアーク溶接装置１は、ピーク電流の絶対値が、３００Ａ以上、１５００Ａ以下である交流パルスを出力して溶接を行う非消耗電極式のアーク溶接装置である。そして、アーク溶接装置１は、溶接電流を出力する出力部２と、出力部２に対して、制御する溶接電流の周期毎に溶接電流制御信号を出力する制御部３と、インダクタンス値が、１０μＨ以上、１００μＨ以下であるリアクトル５と、を備えている。アーク溶接装置１の制御部３は、第１の立ち上がり時間ＴＵＰ１と、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２と、を用いて、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２が第１の立ち上がり時間ＴＵＰ１よりも長くなるように溶接電流を制御する構成としている。ここで、第１の立ち上がり時間ＴＵＰ１は、アークスタート時において、溶接電流がアークスタートを開始してからピーク電流の絶対値に達するまでの時間である。第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２は、アークスタート後の定常溶接時に溶接電流の極性が転流する際のゼロクロス時点からピーク電流の絶対値に達するまでの時間である。
【００６０】
この構成により、大電流施工時にアークスタート性が向上し、フィラーワイヤを挿入する作業で作業性が悪くならず、フィラーワイヤをスムーズに溶融する良好な作業性を可能とするアーク溶接装置１を提供することができる。
【００６１】
また、制御部３は、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２中に増加する溶接電流を、溶接電流の絶対値が高くなるほど単位時間当たりの溶接電流値の増加が少なくなるように制御する構成としてもよい。
【００６２】
この構成により、定常溶接中は、リアクトル５のインダクタンス値に依存せず溶接電流の立ち上がりをアークスタート時に比べて緩やかになるように溶接電流指令を与えて制御することになるので、フィラーワイヤの作業性を良好にできる。
【００６３】
また、制御部３は、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２中に増加する溶接電流を、第１の電流値Ｉ１になるまでは単位時間当たりの溶接電流値の増加を変更せずに増加し、第１の電流値Ｉ１を超えた場合には、溶接電流の絶対値が高くなるほど単位時間当たりの溶接電流値の増加が少なくなるように制御する構成としてもよい。
【００６４】
この構成により、アークスタート時は、リアクトル５のインダクタンス値に依存した溶接電流の立ち上がりにより溶接電流を急峻に立ち上げてアークスタート性能を確保し、かつ、定常溶接時は、フィラーワイヤの作業性を良好にできる。
【００６５】
また、出力部は、単位時間あたりの溶接電流の増加量として１０００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下の溶接電流の出力が可能である。そして、第１の立ち上がり時間ＴＵＰ１における単位時間あたりの溶接電流の増加量は１０００Ａ／ｍｓ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下であり、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２における単位時間あたりの溶接電流の増加量は、１０Ａ／ｍｓｅｃ以上、５００Ａ／ｍｓｅｃ以下である構成としてもよい。
【００６６】
この構成により、アークスタート時は、リアクトル５のインダクタンス値に依存した溶接電流の立ち上がりにより溶接電流を急峻に立ち上げてアークスタート性能を確保し、かつ、定常溶接時は、フィラーワイヤの作業性を良好にできる。
【００６７】
また、出力部は、単位時間あたりの溶接電流の増加量として１０００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下の溶接電流の出力が可能である。そして、第１の立ち上がり時間ＴＵＰ１における単位時間あたりの溶接電流の増加量は１０００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下である。第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２中の第１の電流値Ｉ１になるまでにおける単位時間あたりの溶接電流の増加量は１０００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下である。そして、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２中の第１の電流値Ｉ１を超えた場合における単位時間あたりの溶接電流の増加量は、１０Ａ／ｍｓｅｃ以上、５００Ａ／ｍｓｅｃ以下である構成としてもよい。
【００６８】
この構成により、アークスタート時は、リアクトル５のインダクタンス値に依存した溶接電流の立ち上がりにより溶接電流を急峻に立ち上げてアークスタート性能を確保し、かつ、定常溶接時は、フィラーワイヤの作業性を良好にできる。
【００６９】
また、出力部２はインバータ制御部１３を備え、インバータ制御部１３のインバータ周波数は、４０ｋＨｚ以上、１ＭＨｚ以下である構成としてもよい。
【００７０】
この構成により、さらに電流リップルが小さく、低電流（例えば、１０Ａ程度）でアーク切れが生じ難い。
【００７１】
また、アークスタート時に非消耗電極と溶接対象物との間に定常溶接時の電圧よりも高い高電圧を印加するための高電圧発生部８を備え、非消耗電極と溶接対象物との間に高電圧を印加してアークスタートを行う構成としてもよい。
【００７２】
この構成により、さらに良好なアークスタートが実現でき、アークスタート時に母材と電極を痛めることがない。
【００７３】
以上のように、転流の際のゼロクロス時点近傍での溶接電流の立ち上がりを大きくすることで、転流時にアーク切れが生じてしまうことを防止することができる。なお、図４を用いて説明した従来のアーク溶接装置２２では、リアクトル２１のインダクタンス値によってゼロクロス近傍の電流の立ち上がりが決定するため、ゼロクロス近傍の立ち上がりを大きくすることができなかった。
【００７４】
次に、図２を用いて、転流前に溶接電流が立ち下る時点の溶接電流波形の時間変化について説明する。
【００７５】
制御部３は、定常溶接時の溶接電流を、ピーク電流値ＩＰ（例えば、３５０Ａ）から単位時間あたりの溶接電流の減少量８００Ａ／ｍｓｅｃにて第２の電流値Ｉ２（例えば、１００Ａ）まで減少させ、この第２の電流値Ｉ２を所定時間（例えば、０．１ｍｓｅｃ）維持した後に転流するように制御する。なお、ピーク電流値ＩＰから第２の電流値Ｉ２に低減するまでの第１の立ち下がり時間ＴＤＮ１（例えば、０．３２ｍｓｅｃ）は、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２（例えば、０．８５ｍｓｅｃ）よりも短くなるように制御する。また、定常溶接時に、溶接電流をピーク溶接電流ＩＰから減少を始める時点から溶接電流の極性が転流する際のゼロクロス時点に達するまでの第２の立ち下がり時間ＴＤＮ２（例えば、０．４２ｍｓｅｃ）を、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２よりも短くなるように制御してもよい。
【００７６】
以上のように、電流の立ち下りの減少量を大きくすることで、転流前の電流値である第２の電流値Ｉ２を、図５を用いて説明した従来のアーク溶接装置２２における転流前の電流値Ｉ３（例えば、２００Ａ）よりも低く設定できる。これにより、転流の際の２次インバータを構成する半導体のスイッチングに伴い発生する高いサージ電圧により半導体素子が破損することを防止できる。
【００７７】
また、図５を用いて説明した従来のアーク溶接装置２２の転流前の電流値Ｉ３は、図４に示すリアクトル２１のインダクタンス値によって決まるものであり、電流の立ち下りの減少量で決定するため、転流前に電流を急峻に落とし込むことができなかった。
【００７８】
次に、図２を用いて、溶接電流の、単位時間あたりの溶接電流の増加量を複数有してそれらを切り替えた時の溶接電流波形について説明する。
【００７９】
アーク溶接装置１の記憶部６は、同一の溶接電流値に対して異なる溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量として、図３に示す第１の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量と、第２の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量とを記憶している。そして、記憶部６の記憶内容を選択部７が切り替えて選択する。
【００８０】
図３に示す例では、第１の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量より、第２の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量の低下度が大きい場合を示している。
【００８１】
選択部７が第１の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量を選択した場合を考える。この時は、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２中の溶接電流の立ち上がりは、図２に示す第１の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量ＤＩ１で示す傾きで立ち上がる。一方、選択部７が第２の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量を選択した場合を考える。この時は、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２中の溶接電流の立ち上がりは、図２に示す第２の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量ＤＩ２の傾きで立ち上がる。
【００８２】
なお、第１の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量より、第２の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量の低下度が大きい。このことから、図２の第２の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量ＤＩ２の溶接電流の方が緩やかに立ち上がることがわかる。そして、溶接電流の立ち上がりの波形が緩やかになると、アークが広がりをもち、フィラーワイヤの作業性は良くなる。反面、集中性にかける為、スミ肉溶接にはむかない傾向がある。故に、溶接対象や溶接条件等に基づいて、各々適した立ち上がりを記憶させておき、適した立ち上がりを選択して溶接を行うことが望ましい。
【００８３】
以上のように、選択部７により溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量を切り替え可能とすることで、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２中の溶接電流の立ち上がりを制御することができる。これにより、フィラーワイヤの作業性を調整することができ、多様な施工条件や作業者による好みに対応することが可能となる。
【００８４】
本発明のアーク溶接装置において、制御部３は、定常溶接時の溶接電流をピーク電流値ＩＰからピーク電流値ＩＰよりも小さい第２の電流値Ｉ２まで減少して、この第２の電流値Ｉ２を所定時間ＴＨ維持した後に転流するように制御する。そして、制御部３は、ピーク電流値ＩＰから第２の電流値Ｉ２に低減するまでの第１の立ち下がり時間ＴＤＮ１を、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２よりも短くなるように制御する構成としている。
【００８５】
この構成により、電流の立ち下りの減少量を大きくし、転流前の電流値である第２の電流値Ｉ２を、従来のアーク溶接装置２２における転流前の電流値Ｉ３よりも低く設定できる。これにより、転流の際の２次インバータを構成する半導体のスイッチングに伴い発生する高いサージ電圧により半導体素子が破損することを防止できる。
【００８６】
また、制御部３は、定常溶接時に溶接電流をピーク溶接電流ＩＰから溶接電流の極性が転流する際のゼロクロス時点に達するまでの第２の立ち下がり時間ＴＤＮ２を、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２よりも短くなるように制御する構成としている。
【００８７】
この構成により、電流の立ち下りの減少量を大きくし、転流前の電流値である第２の電流値Ｉ２を、従来のアーク溶接装置２２における転流前の電流値Ｉ３よりも低く設定できる。これにより、転流の際の２次インバータを構成する半導体のスイッチングに伴い発生する高いサージ電圧により半導体素子が破損することを防止できる。
【００８８】
また、出力部２は、単位時間あたりの溶接電流の減少量として８００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下の溶接電流の減少が可能であり、第１の立ち下がり時間ＴＤＮ１における単位時間あたりの溶接電流の減少量、または、第２の立ち下がり時間ＴＤＮ２における単位時間あたりの溶接電流の減少量は、８００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下である構成としている。
【００８９】
この構成により、電流の立ち下りの減少量を大きくし、転流前の電流値である第２の電流値Ｉ２を、従来のアーク溶接装置２２における転流前の電流値Ｉ３よりも低く設定できる。これにより、転流の際の２次インバータを構成する半導体のスイッチングに伴い発生する高いサージ電圧により半導体素子が破損することを防止できる。
【００９０】
また、同一の溶接電流値に対して異なる溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量を複数記憶する記憶部６と、記憶部６に記憶した複数の溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量から１つの溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量を選択する選択部７と、を備えた構成としている。
【００９１】
この構成により、選択部７により溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量を切り替え可能とすることで、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２中の溶接電流の立ち上がりを制御することができる。これにより、フィラーワイヤの作業性を調整することができ、多様な施工条件や作業者による好みに対応することが可能となる。
【００９２】
なお、図２において、ピーク電流値ＩＰは正極性側と逆極性側とで同じ値として説明したが、異なる値としても良い。
【００９３】
また、図３に示すような電流増加量の低下曲線は、線形（１次式）に低下してもよいし、非線形に多項式（例えば、２次式）に従って低下してもよい。
【００９４】
また、任意の値（例えば、５０Ａ／ｍｓｅｃ）で下限制限（最低値を設定）してもよく、必要に応じて、中間点を設けて、低下特性を非線形に屈曲させてもよい。
【００９５】
なお、図２において、アークスタートは逆極性側からスタートする例を示して説明したが、正極性側よりアークスタートしてもよい。
【００９６】
また、図２において、スタート電流値ＩＳとピーク電流値ＩＰは同じ値として説明したが、異なる値としてもよい。この場合、第１の立ち上がり時間ＴＵＰ１は、スタート電流値ＩＳとピーク電流値ＩＰとの比率に基づき、換算したＴＵＰ１＝（換算前のＴＵＰ１）×ＩＳ／ＩＰとしても良い。
【００９７】
なお、本実施の形態では、アークスタート時に高電圧発生部８を用いて高周波スタートを行う例を説明したが、タッチスタートを用いてもよい。
【００９８】
また、本実施の形態では、交流アーク溶接について説明したが、直流の非消耗電極式のアーク溶接におけるパルスの立ち上りの波形に応用してもよい。
【００９９】
また、溶接電流の立ち上がりの際の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量は、本実施の形態では、正極性側と逆極性側とで同じ増加量の低下曲線を用いたが、異なる特性を用いるようにしてもよい。
【０１００】
また、溶接電流の立ち上がりの際の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量は、図２において、溶接中に切り替わる例を説明したが、アークスタート前に設定し、溶接中は固定していてもよい。
【０１０１】
また、正極性および逆極性のピーク電流値は、図２において任意の固定値として説明したが、ピーク期間中に変動する溶接電流波形であってもよい。
【０１０２】
また、最後に、溶接電流のピーク電流値と溶接の作業性との関係を以下の表１に示す。表中で○印は、作業性が良好であることを示し、×印は作業性が悪いことを示す。△印は、作業性がやや悪いことを示す。
【０１０３】
【表１】
2011114679.tif 000003
【０１０４】
以上のように、本実施の形態によれば、アークスタート性を良好にするとともに、定常溶接時の溶接の作業性も良好にすることができる。
【０１０５】
以上のように、本発明は、インダクタンス値が小さい１００μＨ以下のリアクトルを搭載し、アークスタート時の電流立ち上がりを大きくしてアークスタート性を向上した場合でも、第２の立ち上がり時間が第１の立ち上がり時間よりも長くなるように溶接電流を制御する。この制御により、大電流施工時においても、フィラーワイヤを挿入する作業で作業性が悪くならず、良好な作業性を有するアーク溶接装置を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
以上のように、本発明は、大電流施工時においても、フィラーワイヤを挿入する作業で、作業性が悪くならず、良好な作業性を有するアーク溶接装置を提供できる。これにより、本発明のアーク溶接装置は、アーク溶接施工を行う、例えばプラント建設業界といった特に大型のアルミニウム部材を、大電流にて溶接を行い、生産を行う業界におけるアーク溶接装置として、産業上有用である。
【符号の説明】
【０１０７】
１    アーク溶接装置
２    出力部
３    制御部
４    電流検出部
５    リアクトル
６    記憶部
７    選択部
８    高電圧発生部
９    電極
１０    溶接トーチ
１０ａ，１２ａ    ケーブル
１１    アーク
１２    母材
１３    インバータ制御部
１４    整流部
１５    平滑部
１６    変圧器
１７    ２次整流部
１８    ２次インバータ制御部
【図１】
2011114679.tif 000004
【図２】
2011114679.tif 000005
【図３】
2011114679.tif 000006
【図４】
2011114679.tif 000007
【図５】
2011114679.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成23年12月1日(2011.12.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非消耗電極を用いて溶接を行うアーク溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境への配慮から、軽量かつリサイクル性に優れたアルミニウム材やマグネシウム材が建造物や車両等で多く利用されている。そして、その接合に、交流アーク溶接装置が多く利用されている。なお、交流アーク溶接装置は、逆極性と正極性とを交互に繰り返してアーク溶接を行うものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特に、大型建造物を生産する作業現場では、作業効率を上げるため、３００Ａ以上、５００Ａ以下の範囲の大電流による溶接作業が行われている。
【０００４】
従来のこのような大電流を出力する交流アーク溶接装置（例えば、ＴＩＧ溶接装置）では、装置内部で主として動作する半導体の熱損失が大きくなる。そのため、オンロス（主トランジスタのオン抵抗と通電電流の積）を下げるためにはスイッチング速度が遅い半導体を採用する必要がある。その結果、スイッチング損失が大きくなるため、インバータ周波数を高くすることができなかった。故に、比較的低周波数（例えば、１０ｋＨｚ程度まで）のインバータ周波数で動作する回路構成とされている。これにより、低電流域（例えば、１０Ａ程度まで）でのアーク切れの防止のため、インダクタンス値が大きいリアクトルを搭載する必要があった。
【０００５】
図４は従来のアーク溶接装置の概略構成を示す図であり、図５は従来のアーク溶接装置における溶接電流波形の時間変化を示す図である。図４と図５を用いて、従来から慣用されているアーク溶接装置の動作について説明する。以下、逆極性期間と正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う非消耗電極式の交流アーク溶接装置を例にして説明する。
【０００６】
図４において、アーク溶接装置２２は、溶接電流を検出する電流検出部４と、高電圧発生部８と、溶接出力を行う出力部１９と、出力部１９を制御するための制御部２０と、出力部１９と溶接トーチ１０との間に設けられたリアクトル２１と、を備えている。ここで、高電圧発生部８は、溶接トーチ１０に備えられた電極９と溶接対象物としての母材１２との間に高電圧を印加する。また、アーク溶接装置２２には、電極９を備えた溶接トーチ１０と、溶接対象物としての母材１２が接続されており、電極９と母材１２との間にアーク１１を発生させて溶接を行う。
【０００７】
溶接電流と高電圧発生信号の時間変化を示す図５において、ＩＰはピーク電流値を示しており、ＩＳはスタート電流値を示している。また、Ｅ１は溶接を開始する時点である溶接開始時点を示しており、Ｅ２は電流検出部４で電流を検出した時点である電流検出時点を示している。また、ＴＵＰ３は、従来のアークスタート時の立ち上がり時間を示しており、ＴＵＰ４は従来の定常溶接時の立ち上がり時間を示している。なお、Ｉ３は、正極性から逆極性に溶接電流の極性が転流する前の電流値を示している。
【０００８】
図４において、配電盤等の外部機器から給電される商用電源入力（例えば、２００Ｖ等を使用）は、アーク溶接装置２２の出力部１９に給電される。出力部１９は、制御部２０が出力する溶接制御信号に基づき、インバータ周波数１０ｋＨｚ程度で駆動されるインバータ制御により、溶接に適した溶接電流や溶接電圧を出力する。出力部１９が出力する溶接電流や溶接電圧は、リアクトル２１を介して平滑化され、溶接トーチ１０と母材１２に給電され、電極９の先端と母材１２との間でアーク１１が発生し、交流アーク溶接が行われる。
【０００９】
なお、インバータ周波数が１０ｋＨｚ程度の場合に、低電流（例えば、１０Ａ程度）でアーク切れしないためには、リアクトル２１のインダクタンス値は、２００μＨ以上が必要である。なお、このインダクタンス値は、例えば、実験や計算等に基づいて決定される。
【００１０】
ここで、制御部２０は、アークスタート開始時に、高電圧発生信号を高電圧発生部８へ出力して高電圧発生信号をオンする。その後、制御部２０は、電流検出部４が出力する電流検出信号を入力とし、電流検出部４が電流を検出して電流検出部４から電流を検出した旨の信号を受信すると、高電圧発生信号をオフする。
【００１１】
高電圧発生部８は、定常溶接時の電圧よりも高い電圧（例えば、１５ｋＶ）を発生するものであり、アークスタート時に高電圧発生信号がオンの間は電極９と母材１２との間に高電圧を印加し、高電圧発生信号がオフの間は高電圧の印加を停止する。
【００１２】
次に、図５を用いて、従来のアーク溶接装置における溶接電流波形の時間変化について説明する。
【００１３】
溶接を開始する溶接開始時点Ｅ１において、制御部２０は、出力部１９の駆動をオンし、出力部１９により無負荷電圧を電極９と母材１２との間に印加する。さらに、制御部２０は、高電圧発生信号をオンにし、高電圧発生部８によりアークスタートのための高電圧を印加する。その後、アークが発生し、電流検出部４が電流を検出した電流検出時点Ｅ２において、制御部２０は高電圧発生信号をオフにして高電圧の印加を停止する。
【００１４】
アークスタートにおいて、アークスタート時の立ち上がり時間ＴＵＰ３の間は、溶接電流は５００Ａ／ｍｓｅｃで立ち上がり、スタート電流値ＩＳ（例えば、３５０Ａ）まで到達する。
【００１５】
また、定常溶接期間において、溶接電流の極性が転流する際のゼロクロス時点からの立ち上がり時間ＴＵＰ４の間は、溶接電流は５００Ａ／ｍｓｅｃで立ち上がり、ピーク電流の絶対値ＩＰ（例えば、３５０Ａ）に達する。
【００１６】
以上のように、アークスタート時の溶接電流の立ち上がり、及び、定常溶接期間中の溶接電流の立ち上がりは、リアクトル２１のインダクタンス値によって決定される。ここで、立ち上がりとは、ピーク電流に達するまでの単位時間当たりの溶接電流の増加量を意味している。
【００１７】
そして、交流溶接の電流指令はパルス状であることが一般的であり、実際の電流波形がパルス状となるように、立ち上がりは大きい方が良いと考えることが一般的である。
【００１８】
従来のアーク溶接装置２２に、インダクタンス値が大きいリアクトル（例えば、２００μＨ以上）を搭載した場合、溶接電流のリップルが抑えられ、低電流（例えば、１０Ａ程度）でのアーク切れ防止に効果がある。しかしその半面、溶接電流の立ち上がりが遅くなる、すなわち、傾きが小さく緩やかになり、アークスタート性が悪くなるといった問題がある。なお、電流指令として矩形状の指令を与えたとしても、リアクトルのインダクタンスにより、実施された溶接電流は指令した電流波形よりも立ち上がりが遅くなる。そして、インダクタンス値が大きいほど、その傾向は強くなる。
【００１９】
近年、新インバータ方式の登場により、５００Ａクラスの大電流用の非消耗電極式のアーク溶接装置（例えば、ＴＩＧ溶接装置等）において、インバータ周波数を高くする（例えば、４０ｋＨｚ程度まで）ことが可能である。
【００２０】
４０ｋＨｚのインバータ周波数により駆動されるＴＩＧ溶接装置では、電流リップルが小さく、低電流（例えば、１０Ａ程度）でアーク切れが生じ難い。そのため、インダクタンス値が小さいリアクトル（例えば、１００μＨ以下）の搭載が可能である。
【００２１】
例えば、５０μＨのインダクタンス値をもつリアクトルを搭載した場合、電流の立ち上がりが大きくなり（例えば、１５００Ａ／ｍｓｅｃ以上）、アークスタート性が飛躍的に向上する。
【００２２】
しかしながら、電流の立ち上がりが大きい（１５００Ａ／ｍｓｅｃ以上）ＴＩＧ溶接装置では、定常溶接時の電流の立ち上がりも大きい（１５００Ａ／ｍｓｅｃ以上）。これにより、大電流（例えば、３００Ａ以上）による施工時に、フィラーワイヤを挿入する作業において、フィラーワイヤをスムーズに溶融することができず、作業性が悪くなるといった問題があることがわかった。
【００２３】
すなわち、インダクタンス値が小さいリアクトルを用いると、アークスタート性は向上するが、定常溶接中の作業性が悪くなってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２４】
【特許文献１】特開平２−２３５５７４号公報
【発明の概要】
【００２５】
本発明は、アークスタート性能が良好で、かつ、大電流溶接時のフィラーワイヤの作業性が良好であるアーク溶接装置を提供する。
【００２６】
本発明のアーク溶接装置は、ピーク電流の絶対値が、３００Ａ以上、１５００Ａ以下である交流パルスを出力して溶接を行う非消耗電極式のアーク溶接装置であって、溶接電流を出力する出力部と、上記出力部に対して制御する上記溶接電流の周期毎に溶接電流制御信号を出力する制御部と、インダクタンス値が、１０μＨ以上、１００μＨ以下であるリアクトルと、を備え、上記制御部は、アークスタート時において、上記溶接電流がアークスタートを開始してからピーク電流の絶対値に達するまでの第１の立ち上がり時間と、アークスタート後の定常溶接時に上記溶接電流の極性が転流する際のゼロクロス時点からピーク電流の絶対値に達するまでの第２の立ち上がり時間と、を用いて、上記第２の立ち上がり時間が上記第１の立ち上がり時間よりも長くなるように上記溶接電流を制御する構成からなる。
【００２７】
この構成により、大電流施工時にアークスタート性が向上し、フィラーワイヤを挿入する作業で作業性が悪くならず、フィラーワイヤをスムーズに溶融する良好な作業性を可能とするアーク溶接装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態１におけるアーク溶接装置の概略構成を示す図
【図２】本発明の実施の形態１における溶接電流波形の時間変化を示す図
【図３】本発明の実施の形態１における溶接電流値と溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量の相関を示す図
【図４】従来のアーク溶接装置の概略構成を示す図
【図５】従来のアーク溶接装置における溶接電流波形の時間変化を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同じ構成要素については同じ符号を付しているので説明を省略する場合がある。
【００３０】
（実施の形態１）
図１は本実施の形態におけるアーク溶接装置の概略構成を示す図であり、図２は本実施の形態における溶接電流波形の時間変化を示す図である。図３は本実施の形態における溶接電流値と溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量の相関を示す図である。図１のように構成されたアーク溶接装置について、図２と図３を用いてその動作を説明する。
【００３１】
以下、逆極性期間と正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う非消耗電極式の交流アーク溶接装置を例として説明する。
【００３２】
図１において、アーク溶接装置１は、溶接出力を行う出力部２と、制御部３と、溶接電流を検出する電流検出部４と、出力部２の出力を平滑するリアクトル５と、記憶部６と、記憶部６の記憶内容を選択する選択部７と、高電圧を出力する高電圧発生部８を備えている。ここで、制御部３は、制御周期毎に出力部２に制御信号を出力して出力部２を制御する。記憶部６は、溶接電流値に対する溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量等を記憶する。
【００３３】
なお、出力部２は、整流部１４と、平滑部１５と、インバータ制御部１３と、変圧器１６と、２次整流部１７と、２次インバータ制御部１８を備えている。ここで、平滑部１５は、整流部１４の出力を平滑する。インバータ制御部１３は、平滑部１５の出力をインバータ制御する。変圧器１６は、インバータ制御部１３の出力を変圧する。２次整流部１７は、変圧器１６の出力を平滑する。２次インバータ制御部１８は、２次整流部１７の出力をインバータ制御する。
【００３４】
また、アーク溶接装置１は、電極９を備えた溶接トーチ１０と、溶接対象物としての母材１２にケーブル１０ａ、１２ａ等を介して接続されている。そして、アーク溶接装置１は、電極９と母材１２との間に電力を供給することにより、電極９と母材１２との間にアーク１１を発生させて溶接を行う。
【００３５】
溶接電流等の時間変化を示す図２において、ＩＰは溶接電流のピーク電流値を示しており、ＩＳは溶接電流のスタート電流値を示している。Ｉ１は立ち上がり中の電流値であり、ピーク電流ＩＰよりも小さい第１の電流値を示しており、Ｉ２は立ち下がり中の電流値でありピーク電流ＩＰよりも小さい第２の電流値を示している。
【００３６】
また、ＴＵＰ１は溶接電流がゼロの状態からスタート電流ＩＳに達するまでの時間である第１の立ち上り時間を示しており、ＴＵＰ２は溶接電流が転流してゼロとなった時点からピーク電流ＩＰに達するまでの時間である第２の立ち上り時間を示している。ＴＤＮ１はピーク電流ＩＰから第２の電流値Ｉ２に低下するまでの時間である第１の立ち下がり時間を示しており、ＴＨは第２の電流値Ｉ２を維持する期間である所定時間を示している。ＴＤＮ２は第１の立ち下がり時間ＴＤＮ１と所定時間ＴＨを合わせた時間である第２の立ち下がり時間を示している。
【００３７】
また、ＤＩ１は第１の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流値の増加量を示しており、ＤＩ２は第１の溶接電流とは異なる第２の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流値の増加量を示している。
【００３８】
また、Ｅ１は溶接を開始する時点である溶接開始時点を示しており、Ｅ２は電流検出した時点である電流検出時点を示しており、Ｅ３はアークスタート期間が完了した時点であるアークスタート完了時点を示している。
【００３９】
図１において、配電盤等の外部機器から給電される商用電源入力（例えば、２００Ｖ）は、アーク溶接装置１の出力部２に給電される。そして、ダイオード等で構成される整流部１４と電解コンデンサ等で構成される平滑部１５とにより直流電圧に変換される。そして、ＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）等で構成される電流検出部４は、溶接電流を検出する。また、ＣＰＵやＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）およびＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ  ｔｏ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）等で構成される制御部３は、電流検出部４の出力が入力される。そして、制御部３は、インバータの制御タイミング（例えば、インバータのスイッチング動作タイミング）に同期して溶接に適した出力指令を作成し、出力目標に基づき電流フィードバック演算を行い、インバータ制御部１３のスイッチング素子の導通幅を算出して溶接電流制御信号を出力する。
【００４０】
そして、制御部３が出力する溶接電流制御信号に基づき、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）動作やフェーズシフト動作にて駆動されるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等で構成されるインバータ制御部１３は、インバータ駆動し、整流部１４と平滑部１５が変換した直流電圧を、変圧器１６を介して溶接に適した高周波の交流電圧に変換する。
【００４１】
なお、変圧器１６が出力する無負荷電圧は８０Ｖである。また、変圧器１６は、インバータ周波数として４０ｋＨｚで動作する。なお、インバータはＩＧＢＴとトランスを含んで構成され、トランス電流の周波数である４０ｋＨｚで動作する。
【００４２】
そして、変圧器１６が出力する高周波の交流電圧は、ダイオード等で構成される２次整流部１７により整流され、２次インバータ制御部１８に入力される。２次インバータ制御部１８は、ＩＧＢＴ等を用いてフルブリッジやハーフブリッジ等の回路で構成され、正極性と逆極性との出力極性を切り替える。
【００４３】
ここで、正極性とは、アークプラズマ中の電子の移動方向が、電極９から母材１２へ向かう方向であり、電極９がマイナスであって母材がプラスの場合をいう。また、逆極性とは、アークプラズマ中の電子の移動方向が、母材１２から電極９へ向かう方向であり、電極９がプラスであって母材１２がマイナスの場合をいう。
【００４４】
２次インバータ制御部１８が出力する溶接電流や溶接電圧は、リアクトル５を介して平滑化され、溶接トーチ１０に給電される。そうすると、非消耗電極であるタングステン等で構成される電極９の先端とアルミニウム材等である溶接対象物である母材１２との間にアーク１１が発生し、交流アーク溶接が行われる。
【００４５】
なお、リアクトル５のインダクタンス値は、１００μＨ以下、例えば５０μＨであり、図４を用いて説明した従来のアーク溶接装置２２に設けられたリアクトル２１よりもインダクタンス値が小さいものを用いている。これにより、溶接電流の単位時間あたりの溶接電流値の増加量を１５００Ａ／ｍｓｅｃとすることができる。
【００４６】
また、ＣＰＵ等で構成される記憶部６は、同一の溶接電流値に対して異なる溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量として、図３に示す第１の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量と、第２の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量とを記憶している。なお、溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量は、２つではなく、３つ以上記憶するようにしても良い。
【００４７】
また、ＣＰＵ等で構成される選択部７は、記憶部６に記憶した複数の溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量から１つの溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量を選択し、制御部３へ入力する。なお、この選択部７の切り替えは、溶接電流設定や周波数設定や溶接法設定に応じて、自動で切り替えを行うようにしても良い。または、アーク溶接装置１を操作する作業者の好みにより手動で切り替えるようにしてもよい。
【００４８】
制御部３は、選択部７が選択して出力する、溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量に基づいて出力部２に制御信号を出力することにより出力制御を行う。また、制御部３は、高電圧発生信号を高電圧発生部８へ出力することもでき、溶接トーチ１０に設けられた図示しないトーチスイッチを押すこと等によるアークスタート開始時に、高電圧発生信号をオンにして高電圧発生部８に出力する。そして、高電圧発生部８が出力する高電圧により電極９と母材１２との間にアークが発生して電流が流れ、この電流を検出した電流検出部４から電流検出信号を受けると、高電圧発生信号をオフとし、高電圧発生部８の出力を停止させる。
【００４９】
フライバックトランス等で構成される高電圧発生部８は、制御部３から出力される高電圧発生信号がオンの間は、定常溶接時の電圧よりも高い電圧（例えば１５ｋＶ）を電極９と母材１２と間に印加する。一方、制御部３から出力される高電圧発生信号がオフの間は、高電圧の印加を停止する。
【００５０】
次に、図２を用いて、アークスタート期間の溶接開始から、アークスタート期間の後の定常溶接期間における定常溶接時の交流溶接電流パルスの立ち上がりまでの溶接電流波形の時間変化について説明する。
【００５１】
溶接を開始する溶接開始時点Ｅ１において、制御部３はインバータ制御部１３の駆動をオンし、無負荷電圧（例えば、８０Ｖ）を電極９と母材１２との間に印加する。さらに、制御部３は、高電圧発生信号をオンにして高電圧発生部８に出力することにより、アークスタートのための高電圧（例えば、１５ｋＶ）を電極９と母材１２との間に印加する。そして、この高電圧によりアークが発生して溶接電流が流れ、電流検出部４が電流を検出した時点である電流検出時点Ｅ２において、制御部３は、高電圧発生信号をオフにして高電圧発生部８へ出力することにより、高電圧の印加を停止する。
【００５２】
なお、アークスタート時、第１の立ち上がり時間ＴＵＰ１（例えば、０．２３ｍｓｅｃ）の間は、溶接電流は、単位時間あたりの溶接電流の増加量が１５００Ａ／ｍｓｅｃにて立ち上がり、スタート電流値ＩＳ（例えば、３５０Ａ）に到達する。
【００５３】
その後、アークスタート期間が完了した時点であるアークスタート期間完了時点Ｅ３において、アークスタート期間から定常溶接期間に移行する。なお、アークスタート期間の完了は、アークスタートから予め設定される時間（例えば、１００ｍｓｅｃ）が経過した時点としてもよい。また、アークスタート期間の完了は、交流パルスの出力回数を計測し、所定回数パルス出力した場合、例えば５パルスの交流出力を行った時点としてもよい。
【００５４】
また、定常溶接期間中は、正極性と逆極性とが変わる転流が行われ、溶接電流は、溶接電流の極性が転流する際のゼロクロス時点から第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２（例えば０．８５ｍｓｅｃ）が経過してピーク電流ＩＰ（例えば、３５０Ａ）に達する。
【００５５】
なお、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２の期間中、溶接電流は、第１の電流値Ｉ１（例えば、５０Ａ）に達するまでは、単位時間あたりの溶接電流の増加量を５００Ａ／ｍｓｅｃとして立ち上がる。そして、第１の電流値Ｉ１（例えば、５０Ａ）を超えてからは、５００Ａ／ｍｓｅｃより小さく、かつ、溶接電流の絶対値が高くなるほど単位時間当たりの溶接電流値の増加量が少なくなるように立ち上がる。例えば、溶接電流の絶対値は、図３に実線で示す第１の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量に基づく。
【００５６】
以上のように、インダクタンス値が小さいリアクトル５を接続した状態で、アークスタート時は、リアクトル５のインダクタンス値に依存した溶接電流の立ち上がりにより溶接電流を急峻に立ち上げてアークスタート性能を確保する。それと共に、定常溶接中は、リアクトル５のインダクタンス値に依存せず溶接電流の立ち上がりをアークスタート時に比べて緩やかになるように溶接電流指令を与えて制御することで、フィラーワイヤの作業性を良好にすることができる。
【００５７】
なお、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２中、第１の電流値Ｉ１（例えば、５０Ａ）に達するまでは、単位時間あたりの溶接電流の増加量が、５００Ａ／ｍｓｅｃではなく１５００Ａ／ｍｓｅｃで立ち上がる。第１の電流値Ｉ１（例えば、５０Ａ）を超えてからは、溶接電流の絶対値が高くなるほど単位時間当たりの溶接電流値の増加が少なくなるように制御してもよい。
【００５８】
ここで、１５００Ａ／ｍｓｅｃは、リアクトル５のインダクタンス値により決定されるアーク溶接装置１が出力可能な最大の単位時間当たりの変化量であるとする。このように、電流の増加の初期期間では、最大の単位時間当たりの変化量で溶接電流を増加するようにしても良い。
【００５９】
すなわち、本発明のアーク溶接装置１は、ピーク電流の絶対値が、３００Ａ以上、１５００Ａ以下である交流パルスを出力して溶接を行う非消耗電極式のアーク溶接装置である。そして、アーク溶接装置１は、溶接電流を出力する出力部２と、出力部２に対して、制御する溶接電流の周期毎に溶接電流制御信号を出力する制御部３と、インダクタンス値が、１０μＨ以上、１００μＨ以下であるリアクトル５と、を備えている。アーク溶接装置１の制御部３は、第１の立ち上がり時間ＴＵＰ１と、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２と、を用いて、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２が第１の立ち上がり時間ＴＵＰ１よりも長くなるように溶接電流を制御する構成としている。ここで、第１の立ち上がり時間ＴＵＰ１は、アークスタート時において、溶接電流がアークスタートを開始してからピーク電流の絶対値に達するまでの時間である。第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２は、アークスタート後の定常溶接時に溶接電流の極性が転流する際のゼロクロス時点からピーク電流の絶対値に達するまでの時間である。
【００６０】
この構成により、大電流施工時にアークスタート性が向上し、フィラーワイヤを挿入する作業で作業性が悪くならず、フィラーワイヤをスムーズに溶融する良好な作業性を可能とするアーク溶接装置１を提供することができる。
【００６１】
また、制御部３は、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２中に増加する溶接電流を、溶接電流の絶対値が高くなるほど単位時間当たりの溶接電流値の増加が少なくなるように制御する構成としてもよい。
【００６２】
この構成により、定常溶接中は、リアクトル５のインダクタンス値に依存せず溶接電流の立ち上がりをアークスタート時に比べて緩やかになるように溶接電流指令を与えて制御することになるので、フィラーワイヤの作業性を良好にできる。
【００６３】
また、制御部３は、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２中に増加する溶接電流を、第１の電流値Ｉ１になるまでは単位時間当たりの溶接電流値の増加を変更せずに増加し、第１の電流値Ｉ１を超えた場合には、溶接電流の絶対値が高くなるほど単位時間当たりの溶接電流値の増加が少なくなるように制御する構成としてもよい。
【００６４】
この構成により、アークスタート時は、リアクトル５のインダクタンス値に依存した溶接電流の立ち上がりにより溶接電流を急峻に立ち上げてアークスタート性能を確保し、かつ、定常溶接時は、フィラーワイヤの作業性を良好にできる。
【００６５】
また、出力部は、単位時間あたりの溶接電流の増加量として１０００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下の溶接電流の出力が可能である。そして、第１の立ち上がり時間ＴＵＰ１における単位時間あたりの溶接電流の増加量は１０００Ａ／ｍｓ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下であり、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２における単位時間あたりの溶接電流の増加量は、１０Ａ／ｍｓｅｃ以上、５００Ａ／ｍｓｅｃ以下である構成としてもよい。
【００６６】
この構成により、アークスタート時は、リアクトル５のインダクタンス値に依存した溶接電流の立ち上がりにより溶接電流を急峻に立ち上げてアークスタート性能を確保し、かつ、定常溶接時は、フィラーワイヤの作業性を良好にできる。
【００６７】
また、出力部は、単位時間あたりの溶接電流の増加量として１０００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下の溶接電流の出力が可能である。そして、第１の立ち上がり時間ＴＵＰ１における単位時間あたりの溶接電流の増加量は１０００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下である。第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２中の第１の電流値Ｉ１になるまでにおける単位時間あたりの溶接電流の増加量は１０００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下である。そして、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２中の第１の電流値Ｉ１を超えた場合における単位時間あたりの溶接電流の増加量は、１０Ａ／ｍｓｅｃ以上、５００Ａ／ｍｓｅｃ以下である構成としてもよい。
【００６８】
この構成により、アークスタート時は、リアクトル５のインダクタンス値に依存した溶接電流の立ち上がりにより溶接電流を急峻に立ち上げてアークスタート性能を確保し、かつ、定常溶接時は、フィラーワイヤの作業性を良好にできる。
【００６９】
また、出力部２はインバータ制御部１３を備え、インバータ制御部１３のインバータ周波数は、４０ｋＨｚ以上、１ＭＨｚ以下である構成としてもよい。
【００７０】
この構成により、さらに電流リップルが小さく、低電流（例えば、１０Ａ程度）でアーク切れが生じ難い。
【００７１】
また、アークスタート時に非消耗電極と溶接対象物との間に定常溶接時の電圧よりも高い高電圧を印加するための高電圧発生部８を備え、非消耗電極と溶接対象物との間に高電圧を印加してアークスタートを行う構成としてもよい。
【００７２】
この構成により、さらに良好なアークスタートが実現でき、アークスタート時に母材と電極を痛めることがない。
【００７３】
以上のように、転流の際のゼロクロス時点近傍での溶接電流の立ち上がりを大きくすることで、転流時にアーク切れが生じてしまうことを防止することができる。なお、図４を用いて説明した従来のアーク溶接装置２２では、リアクトル２１のインダクタンス値によってゼロクロス近傍の電流の立ち上がりが決定するため、ゼロクロス近傍の立ち上がりを大きくすることができなかった。
【００７４】
次に、図２を用いて、転流前に溶接電流が立ち下る時点の溶接電流波形の時間変化について説明する。
【００７５】
制御部３は、定常溶接時の溶接電流を、ピーク電流値ＩＰ（例えば、３５０Ａ）から単位時間あたりの溶接電流の減少量８００Ａ／ｍｓｅｃにて第２の電流値Ｉ２（例えば、１００Ａ）まで減少させ、この第２の電流値Ｉ２を所定時間（例えば、０．１ｍｓｅｃ）維持した後に転流するように制御する。なお、ピーク電流値ＩＰから第２の電流値Ｉ２に低減するまでの第１の立ち下がり時間ＴＤＮ１（例えば、０．３２ｍｓｅｃ）は、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２（例えば、０．８５ｍｓｅｃ）よりも短くなるように制御する。また、定常溶接時に、溶接電流をピーク溶接電流ＩＰから減少を始める時点から溶接電流の極性が転流する際のゼロクロス時点に達するまでの第２の立ち下がり時間ＴＤＮ２（例えば、０．４２ｍｓｅｃ）を、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２よりも短くなるように制御してもよい。
【００７６】
以上のように、電流の立ち下りの減少量を大きくすることで、転流前の電流値である第２の電流値Ｉ２を、図５を用いて説明した従来のアーク溶接装置２２における転流前の電流値Ｉ３（例えば、２００Ａ）よりも低く設定できる。これにより、転流の際の２次インバータを構成する半導体のスイッチングに伴い発生する高いサージ電圧により半導体素子が破損することを防止できる。
【００７７】
また、図５を用いて説明した従来のアーク溶接装置２２の転流前の電流値Ｉ３は、図４に示すリアクトル２１のインダクタンス値によって決まるものであり、電流の立ち下りの減少量で決定するため、転流前に電流を急峻に落とし込むことができなかった。
【００７８】
次に、図２を用いて、溶接電流の、単位時間あたりの溶接電流の増加量を複数有してそれらを切り替えた時の溶接電流波形について説明する。
【００７９】
アーク溶接装置１の記憶部６は、同一の溶接電流値に対して異なる溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量として、図３に示す第１の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量と、第２の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量とを記憶している。そして、記憶部６の記憶内容を選択部７が切り替えて選択する。
【００８０】
図３に示す例では、第１の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量より、第２の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量の低下度が大きい場合を示している。
【００８１】
選択部７が第１の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量を選択した場合を考える。この時は、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２中の溶接電流の立ち上がりは、図２に示す第１の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量ＤＩ１で示す傾きで立ち上がる。一方、選択部７が第２の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量を選択した場合を考える。この時は、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２中の溶接電流の立ち上がりは、図２に示す第２の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量ＤＩ２の傾きで立ち上がる。
【００８２】
なお、第１の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量より、第２の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量の低下度が大きい。このことから、図２の第２の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量ＤＩ２の溶接電流の方が緩やかに立ち上がることがわかる。そして、溶接電流の立ち上がりの波形が緩やかになると、アークが広がりをもち、フィラーワイヤの作業性は良くなる。反面、集中性にかける為、スミ肉溶接にはむかない傾向がある。故に、溶接対象や溶接条件等に基づいて、各々適した立ち上がりを記憶させておき、適した立ち上がりを選択して溶接を行うことが望ましい。
【００８３】
以上のように、選択部７により溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量を切り替え可能とすることで、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２中の溶接電流の立ち上がりを制御することができる。これにより、フィラーワイヤの作業性を調整することができ、多様な施工条件や作業者による好みに対応することが可能となる。
【００８４】
本発明のアーク溶接装置において、制御部３は、定常溶接時の溶接電流をピーク電流値ＩＰからピーク電流値ＩＰよりも小さい第２の電流値Ｉ２まで減少して、この第２の電流値Ｉ２を所定時間ＴＨ維持した後に転流するように制御する。そして、制御部３は、ピーク電流値ＩＰから第２の電流値Ｉ２に低減するまでの第１の立ち下がり時間ＴＤＮ１を、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２よりも短くなるように制御する構成としている。
【００８５】
この構成により、電流の立ち下りの減少量を大きくし、転流前の電流値である第２の電流値Ｉ２を、従来のアーク溶接装置２２における転流前の電流値Ｉ３よりも低く設定できる。これにより、転流の際の２次インバータを構成する半導体のスイッチングに伴い発生する高いサージ電圧により半導体素子が破損することを防止できる。
【００８６】
また、制御部３は、定常溶接時に溶接電流をピーク溶接電流ＩＰから溶接電流の極性が転流する際のゼロクロス時点に達するまでの第２の立ち下がり時間ＴＤＮ２を、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２よりも短くなるように制御する構成としている。
【００８７】
この構成により、電流の立ち下りの減少量を大きくし、転流前の電流値である第２の電流値Ｉ２を、従来のアーク溶接装置２２における転流前の電流値Ｉ３よりも低く設定できる。これにより、転流の際の２次インバータを構成する半導体のスイッチングに伴い発生する高いサージ電圧により半導体素子が破損することを防止できる。
【００８８】
また、出力部２は、単位時間あたりの溶接電流の減少量として８００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下の溶接電流の減少が可能であり、第１の立ち下がり時間ＴＤＮ１における単位時間あたりの溶接電流の減少量、または、第２の立ち下がり時間ＴＤＮ２における単位時間あたりの溶接電流の減少量は、８００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下である構成としている。
【００８９】
この構成により、電流の立ち下りの減少量を大きくし、転流前の電流値である第２の電流値Ｉ２を、従来のアーク溶接装置２２における転流前の電流値Ｉ３よりも低く設定できる。これにより、転流の際の２次インバータを構成する半導体のスイッチングに伴い発生する高いサージ電圧により半導体素子が破損することを防止できる。
【００９０】
また、同一の溶接電流値に対して異なる溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量を複数記憶する記憶部６と、記憶部６に記憶した複数の溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量から１つの溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量を選択する選択部７と、を備えた構成としている。
【００９１】
この構成により、選択部７により溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量を切り替え可能とすることで、第２の立ち上がり時間ＴＵＰ２中の溶接電流の立ち上がりを制御することができる。これにより、フィラーワイヤの作業性を調整することができ、多様な施工条件や作業者による好みに対応することが可能となる。
【００９２】
なお、図２において、ピーク電流値ＩＰは正極性側と逆極性側とで同じ値として説明したが、異なる値としても良い。
【００９３】
また、図３に示すような電流増加量の低下曲線は、線形（１次式）に低下してもよいし、非線形に多項式（例えば、２次式）に従って低下してもよい。
【００９４】
また、任意の値（例えば、５０Ａ／ｍｓｅｃ）で下限制限（最低値を設定）してもよく、必要に応じて、中間点を設けて、低下特性を非線形に屈曲させてもよい。
【００９５】
なお、図２において、アークスタートは逆極性側からスタートする例を示して説明したが、正極性側よりアークスタートしてもよい。
【００９６】
また、図２において、スタート電流値ＩＳとピーク電流値ＩＰは同じ値として説明したが、異なる値としてもよい。この場合、第１の立ち上がり時間ＴＵＰ１は、スタート電流値ＩＳとピーク電流値ＩＰとの比率に基づき、換算したＴＵＰ１＝（換算前のＴＵＰ１）×ＩＳ／ＩＰとしても良い。
【００９７】
なお、本実施の形態では、アークスタート時に高電圧発生部８を用いて高周波スタートを行う例を説明したが、タッチスタートを用いてもよい。
【００９８】
また、本実施の形態では、交流アーク溶接について説明したが、直流の非消耗電極式のアーク溶接におけるパルスの立ち上りの波形に応用してもよい。
【００９９】
また、溶接電流の立ち上がりの際の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量は、本実施の形態では、正極性側と逆極性側とで同じ増加量の低下曲線を用いたが、異なる特性を用いるようにしてもよい。
【０１００】
また、溶接電流の立ち上がりの際の溶接電流の単位時間あたりの溶接電流の増加量は、図２において、溶接中に切り替わる例を説明したが、アークスタート前に設定し、溶接中は固定していてもよい。
【０１０１】
また、正極性および逆極性のピーク電流値は、図２において任意の固定値として説明したが、ピーク期間中に変動する溶接電流波形であってもよい。
【０１０２】
また、最後に、溶接電流のピーク電流値と溶接の作業性との関係を以下の表１に示す。表中で○印は、作業性が良好であることを示し、×印は作業性が悪いことを示す。△印は、作業性がやや悪いことを示す。
【０１０３】
【表１】
2011114679.tif 000009
【０１０４】
以上のように、本実施の形態によれば、アークスタート性を良好にするとともに、定常溶接時の溶接の作業性も良好にすることができる。
【０１０５】
以上のように、本発明は、インダクタンス値が小さい１００μＨ以下のリアクトルを搭載し、アークスタート時の電流立ち上がりを大きくしてアークスタート性を向上した場合でも、第２の立ち上がり時間が第１の立ち上がり時間よりも長くなるように溶接電流を制御する。この制御により、大電流施工時においても、フィラーワイヤを挿入する作業で作業性が悪くならず、良好な作業性を有するアーク溶接装置を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
以上のように、本発明は、大電流施工時においても、フィラーワイヤを挿入する作業で、作業性が悪くならず、良好な作業性を有するアーク溶接装置を提供できる。これにより、本発明のアーク溶接装置は、アーク溶接施工を行う、例えばプラント建設業界といった特に大型のアルミニウム部材を、大電流にて溶接を行い、生産を行う業界におけるアーク溶接装置として、産業上有用である。
【符号の説明】
【０１０７】
１  アーク溶接装置
２  出力部
３  制御部
４  電流検出部
５  リアクトル
６  記憶部
７  選択部
８  高電圧発生部
９  電極
１０  溶接トーチ
１０ａ，１２ａ  ケーブル
１１  アーク
１２  母材
１３  インバータ制御部
１４  整流部
１５  平滑部
１６  変圧器
１７  ２次整流部
１８  ２次インバータ制御部
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピーク電流の絶対値が、３００Ａ以上、１５００Ａ以下である交流パルスを出力して溶接を行う非消耗電極式のアーク溶接装置であって、
溶接電流を出力する出力部と、
前記出力部に対して、制御する前記溶接電流の周期毎に溶接電流制御信号を出力する制御部と、
インダクタンス値が、１０μＨ以上、１００μＨ以下であるリアクトルと、を備え、
前記制御部は、アークスタート時において、前記溶接電流がアークスタートを開始してからピーク電流の絶対値に達するまでの第１の立ち上がり時間と、アークスタート後の定常溶接時に前記溶接電流の極性が転流する際のゼロクロス時点からピーク電流の絶対値に達するまでの第２の立ち上がり時間と、を用いて、前記第２の立ち上がり時間が前記第１の立ち上がり時間よりも長くなるように前記溶接電流を制御するアーク溶接装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記第２の立ち上がり時間中に増加する前記溶接電流を、前記溶接電流の絶対値が高くなるほど単位時間当たりの溶接電流値の増加が少なくなるように制御する請求項１記載のアーク溶接装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記第２の立ち上がり時間中に増加する前記溶接電流を、第１の電流値になるまでは前記単位時間当たりの溶接電流値の増加を変更せずに増加し、前記第１の電流値を超えた場合には、前記溶接電流の絶対値が高くなるほど前記単位時間当たりの溶接電流値の増加が少なくなるように制御する請求項２記載のアーク溶接装置。
【請求項４】
前記出力部は、単位時間あたりの溶接電流の増加量として１０００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下の溶接電流の出力が可能であり、前記第１の立ち上がり時間における単位時間あたりの溶接電流の増加量は１０００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下であり、前記第２の立ち上がり時間における単位時間あたりの溶接電流の増加量は、１０Ａ／ｍｓｅｃ以上、５００Ａ／ｍｓｅｃ以下である請求項１記載のアーク溶接装置。
【請求項５】
前記出力部は、単位時間あたりの溶接電流の増加量として１０００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下の溶接電流の出力が可能であり、第１の立ち上がり時間における単位時間あたりの溶接電流の増加量は１０００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下であり、第２の立ち上がり時間中の前記第１の電流値になるまでにおける単位時間あたりの溶接電流の増加量は１０００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下であり、第２の立ち上がり時間中の前記第１の電流値を超えた場合における単位時間あたりの溶接電流の増加量は、１０Ａ／ｍｓｅｃ以上、５００Ａ／ｍｓｅｃ以下である請求項３記載のアーク溶接装置。
【請求項６】
前記制御部は、定常溶接時の溶接電流をピーク電流値から前記ピーク電流値よりも小さい第２の電流値まで減少して、この第２の電流値を所定時間維持した後に転流するように制御し、前記ピーク電流値から前記第２の電流値に低減するまでの第１の立ち下がり時間を、前記第２の立ち上がり時間よりも短くなるように制御する請求項１記載のアーク溶接装置。
【請求項７】
前記制御部は、定常溶接時に溶接電流をピーク溶接電流から溶接電流の極性が転流する際のゼロクロス時点に達するまでの第２の立ち下がり時間を、前記第２の立ち上がり時間よりも短くなるように制御する請求項１記載のアーク溶接装置。
【請求項８】
前記出力部は、単位時間あたりの溶接電流の減少量として８００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下の溶接電流の減少が可能であり、前記第１の立ち下がり時間における単位時間あたりの溶接電流の減少量、または、前記第２の立ち下がり時間における単位時間あたりの溶接電流の減少量は、８００Ａ／ｍｓｅｃ以上、１００００Ａ／ｍｓｅｃ以下である請求項６または７のいずれか１項に記載のアーク溶接装置。
【請求項９】
同一の溶接電流値に対して異なる溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量を複数記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶した複数の溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量から１つの溶接電流の単位時間当たりの溶接電流値の増加量を選択する選択部と、を備えた請求項１に記載のアーク溶接装置。
【請求項１０】
前記出力部はインバータ制御部を備え、前記インバータ制御部のインバータ周波数は、４０ｋＨｚ以上、１ＭＨｚ以下である請求項１記載のアーク溶接装置。
【請求項１１】
アークスタート時に非消耗電極と溶接対象物との間に定常溶接時の電圧よりも高い高電圧を印加するための高電圧発生部を備え、前記非消耗電極と前記溶接対象物との間に高電圧を印加してアークスタートを行う請求項１記載のアーク溶接装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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